Protein sequencing strategy in nanotechnology by classical and quantum atomistic models

Il mio lavoro di ricerca ha avuto l’obiettivo di studiare le proprietà principali dell’interazione tra materiale biologico e superfici inorganiche. Per tale scopo è stato utilizzato uno approccio basato sulla teoria del funzionale densità (DFT), lo studio è stato svolto nell’ambito del calcolo ad alte prestazioni utilizzando un approccio quanto-meccanico da principi primi, in modo da poter descrivere al meglio le interazioni chimico-fisiche a livello molecolare e sub-molecolare. Il tutto è stato applicato in dispositivi di ultima generazione per sequenziamento di catene biologiche, basate sulla tecnologia a nano-poro; in questi sensori nano-strutturati vi è un analisi detta a singola-molecola, il tipo e i modi d’interazioni tra dispositivo e target d’analizzare sono fondamentali e determinano la variazione del nostro segnale in uscita. Il funzionamento è relativamente semplice: si applica agli estremi della superfice con il poro una differenza di potenziale, e si misura la variazione della corrente quando il foro è occupato; le dimensioni del poro fanno si che si possa analizzare una molecola alla volta. Il materiale scelto per la realizzazione di questi dispositivi è stato il grafene per le sue proprietà elettroniche e la sua geometria; le catene biologiche scelte sono sequenze di amminoacidi; questa scelta si basa sulla possibile evoluzione di questi dispositivi, finora utilizzati per il sequenziamento di DNA (commercializzato dalla Oxford Nanopores Technologies), e sull’importanza dell’identificazione della sequenza e della struttura delle proteine, visto la connessione a patologie neurodegenerative come Parkinson e Alzheimer. Più in dettaglio il mio lavoro di ricerca è partito da studi precedenti dove venivano analizzate filamenti di DNA con la traslazione di basi nucleiche in nano-pori biologici per il sequenziamento; si sono studiati i cambiamenti caratteristici di corrente quando il target si avvicina alla superficie o attraversava il poro in modo da ottenere un'analisi rapida a singola-molecola. Si è provato, così, ad applicare lo stesso principio su sequenze di peptidi, per la loro importanza a livello medico-scientifico, con nanostrutture allo stato solido, visti i vantaggi di quest'ultimi rispetto a quelli biologici (miglior rapporto segnale rumore e una vita media più lunga). Sono state effettuate simulazioni Ab-Initio per caratterizzare sia le proprietà elettroniche superficiali, osservando la densità degli stati (DOS), e sia l'effetto quantistico del tunneling degli elettroni al variare della molecola interagente con la superficie. Per fare ciò si è studiata la corrente elettronica trasversale al piano del poro, su un ribbon di grafene, correlando le variazioni della nube elettronica con la molecola target. Per raggiungere questi obiettivi abbiamo: • definito modelli atomistici di interazione tra amminoacidi e bordi di un nano-poro di grafene; • utilizzato simulazioni atomistiche/molecolari per ottimizzare la morfologia (grandezza) e struttura (forma) più adeguata del poro; • studiato il funzionamento elettronico del nano-poro in fase di traslocazione degli amminoacidi attraverso esso. In particolare ci si è concentrati sul calcolo della conduttività trasversale attraverso la metodologia della Non-Equilibrium Green Function (NEGF) e l'approccio Landauer-Buttiker La ricerca è stata articolata in due fasi: I Fase: Design del nano-poro di grafene Nonostante diversi nano-pori siano già studiati con tecniche sperimentali, l’approccio teorico-modellistico basato su simulazioni molecolari atomistiche della struttura del nano-poro ha reso possibile avere una rigorosa caratterizzazione fisica e chimica del sistema; questa caratterizzazione è diventata la base per il successivo processo di ottimizzazione del dispositivo (passando da un nano-poro a un nano-gap). Dal punto di vista teorico-computazionale, si è confrontato il comportamento, strutturale del passaggio all’interno del sensore di diversi amminoacidi e si è progettato un nano-gap adatto alla valutazione degli effetti di traslocazione. II Fase: Caratterizzazione del segnale Si è studiata la variazione del “segnale” ottenuto, per caratterizzarlo al meglio e abbassare il rapporto segnale rumore. Attraverso varie analisi di post-processing si è andata a vedere la corrente elettronica elastica ed anelastica e si è aggiunta l’analisi della corrente ionica con simulazioni di dinamica molecolare classica.